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1、灰口铸铁贝氏体化的机理及途径现在学习的是第1页，共56页研究目的研究目的n n灰口铸铁的含碳量一般为2.5-4.0%，具有良好的铸造性和切削加工性，广泛应用于机械制造、冶金、矿山、石化、交通运输及国防等诸多工业部门。灰口铸铁的组织为钢基体+片状石墨。一般情况下，钢基体可以为铁素体、铁素体+珠光体或珠光体。通过热处理，可以改变灰口铸铁的基体组织。现在学习的是第2页，共56页研究目的研究目的n n在各种铸铁的基体中，贝氏体被认为是综合性能较佳的组织。对普通灰口铸铁进行贝氏体化后，其综合力学性能大幅度提升（抗拉强度可达600MPa600MPa以上）。现在学习的是第3页，共56页研究目的研究目的n n
2、将普通灰口铸铁基体进行贝氏体化，充分挖掘材料的内在潜力，拓宽应用范围，提高材料的力学性能，延长材料的使用寿命。现在学习的是第4页，共56页贝氏体相变贝氏体相变n n钢中的贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得产物，是由铁素体和碳化物组成的非层片状组织。n n贝氏体转变兼有扩散型的珠光体转变和无扩散型马氏体转变的动力学和组织特征。现在学习的是第5页，共56页贝氏体组织贝氏体组织n n贝氏体按组织形态分为：n n上贝氏体；n n下贝氏体；n n无碳化物贝氏体；n n粒状贝氏体；n n柱状贝氏体；n n反常贝氏体；现在学习的是第6页，共56页上贝氏体组织上贝氏体组织n n上贝氏体是一种两相组织，由铁
3、素体和渗碳体所组成。即由成束的、大致平行的铁素体板条，和分布在铁素体板条之间的非连续渗碳体组成。整体呈羽毛状。n n钢中含碳量和等温温度会影响上贝氏体的形态。现在学习的是第7页，共56页下贝氏体组织下贝氏体组织n n下贝氏体也是由铁素体和渗碳体两相组成，其中，铁素体呈片状（针状、透镜状），碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以5560的角度与下贝氏体的长轴相交，并且，碳化物仅分布在铁素体的内部。现在学习的是第8页，共56页贝氏体组织转变贝氏体组织转变n n贝氏体转变特征：n n贝氏体转变是一个成核与长大的过程；n n存在Bs;n n产生表面浮突；n n铁素体与奥氏体存在共格关系；n n形成温度
4、影响碳化物形态和分布。现在学习的是第9页，共56页贝氏体转变特点贝氏体转变特点n n贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢得多；n n贝氏体转变量与时间相关；n n贝氏体转变的不完全性；n n可能与珠光体转变或马氏体转变重叠。现在学习的是第10页，共56页贝氏体转变影响因素贝氏体转变影响因素n n含碳量；n n合金元素：Co、Al加速。Mn，Cr，Ni减缓。n n奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度；n n应力现在学习的是第11页，共56页贝氏体化机理贝氏体化机理n n奥氏体化后直接进入贝氏体区，进行等温保持，从而得到贝氏体。n n合金化元素使C曲线右移，从而，奥氏体化的材料可以避开珠光体转变，而进入贝氏体
5、转变区，从而得到贝氏体，而不发生奥氏体分解。现在学习的是第12页，共56页贝氏体化途径贝氏体化途径n n目前，灰口铸铁贝氏体化的途径一般有两种：一是通过铸件的重新加热热处理，二是通过合金化在凝固过程后直接冷却时得到。n n热处理工艺一般采用盐浴等温淬火；合金化元素一般有Ni、W、Mo、Cu、Mn、Si、Cr等。现在学习的是第13页，共56页等温淬火工艺等温淬火工艺n n等温淬火：在800900(Ac1线以上)温度范围内加热，保温0.51.5hr，使其奥氏体化。然后迅速移入250400(Ms线以上贝氏体转变温度范围)的盐浴中，等温保持0.51.5hr，取出空冷至室温。现在学习的是第14页，共56
6、页显微组织显微组织n nHT200灰口铁，900保温时间1h，在50%KNO3、50%NaNO3的盐浴中保温1h，温度分别为370、280、320时得到的金相照片(400)。现在学习的是第15页，共56页力学性能力学性能现在学习的是第16页，共56页抗拉强度抗拉强度n n热处理后，随等温淬火热处理后，随等温淬火温度降低，抗拉强度增温度降低，抗拉强度增高。高。n n等温处理后的基体由铸态等温处理后的基体由铸态下珠光体、铁素体的混合下珠光体、铁素体的混合组织转变为贝氏体组织，组织转变为贝氏体组织，从而增强铸铁的强度。从而增强铸铁的强度。n n随着等温温度的降低随着等温温度的降低 ,贝贝氏体针变细变
7、密氏体针变细变密,过饱和过饱和碳增加碳增加 ,位错密度提高位错密度提高 ,因而强度随之增强。因而强度随之增强。现在学习的是第17页，共56页硬硬 度度n n热处理后随着等温温度的降低，下贝氏体量增加，铸铁的硬度增大。n n在下贝氏体中存在着很硬的弥散碳化物，这是硬度升高的主要原因。n n在相同的等温淬火温度下，随着牌号的不同，硬度随之变化趋势不同，这是由于显微组织和石墨形态造成的。现在学习的是第18页，共56页冲击韧性冲击韧性n n冲击韧性数据离散度很大,这说明奥氏体化等温淬火对冲击韧性影响很小。n n灰铸铁铸态下的冲击韧性不高，等温淬火后仍无明显改善，主要是由于灰铸铁中仍然存在片状石墨割裂基
8、体造成的。现在学习的是第19页，共56页耐磨性耐磨性n n由一定数量稳定的残余奥由一定数量稳定的残余奥氏体和下贝氏体组成的基氏体和下贝氏体组成的基体受磨损时，表面层的残体受磨损时，表面层的残余奥氏体发生冷作硬化和余奥氏体发生冷作硬化和形变效应引起马氏体形成，形变效应引起马氏体形成，使表面层在工作过程中不使表面层在工作过程中不断强化。断强化。n n另一方面，由于下贝氏另一方面，由于下贝氏体组织硬度高，较其它体组织硬度高，较其它组织更为耐磨，对提高组织更为耐磨，对提高奥贝灰铸铁耐磨性起到奥贝灰铸铁耐磨性起到了一定作用。了一定作用。现在学习的是第20页，共56页工艺参数对力学性能的影响工艺参数对力学
9、性能的影响n n影响贝氏体灰口铸铁力学性能的主要工艺参数是等温淬火温度。等温淬火温度越低，贝氏体针变细变密，过饱和碳增加，位错密度提高，抗拉强度越高；同时，下贝氏体量也增加，导致硬度增大，耐磨性提高。但等温淬火温度对冲击韧性影响不明显。灰口铸铁的韧塑性指标主要取决于石墨形态。现在学习的是第21页，共56页工艺参数对力学性能的影响工艺参数对力学性能的影响n n此外，奥氏体化温度也影响铸铁力学性能。奥氏体化温度越高，保温时间越长，铸铁晶粒长大越显著，损坏了铸铁力学性能；同时，奥氏体化温度越高，其转变的相变潜热越大，需要更大的冷却速率以避开珠光体转变区，对贝氏体转变造成一定影响。现在学习的是第22页
10、，共56页等温淬火等温淬火n n等温淬火：工艺耗能、耗时，对铸件尺寸大小和形状也有种种限制，铸件在高温加热的过程中表面易氧化脱碳，增加了铸件生产成本。但是，组织形态可以有效地控制。现在学习的是第23页，共56页铸态工艺铸态工艺n n铸态工艺：是指在铸态条件下通过加入一定数量的Ni、Mo、Cu等合金元素，借以改变C曲线的形状和位置，降低铸件的临界冷却速度、扩大奥氏体区、提高铸件的淬透性，从而保证铸件在连续冷却的条件下直接获得以贝氏体为主的基体组织。节能，省时；但是，组织形态难以精确控制；白口化倾向严重。现在学习的是第24页，共56页显微组织显微组织铸态贝氏体组织现在学习的是第25页，共56页力学
11、性能力学性能 铸态贝氏体灰口铸铁的耐冲蚀磨损性能是普通灰口铸铁的4.83倍，是硼铜合金铸铁的1.65倍，与等温淬火贝氏体球铁相当。现在学习的是第26页，共56页铸态贝氏体灰口铸铁的主要性能指标铸态贝氏体灰口铸铁的主要性能指标 从表中可以看出，该铸铁的综合机械性能已远远超出目前世界各国灰口铸铁标准中最高牌号的范围。现在学习的是第27页，共56页工艺参数对铸态贝氏体灰口铸铁的影响工艺参数对铸态贝氏体灰口铸铁的影响1、合金化元素的影响2、冷却速度和冷却方式对组织和性 能的影响3、高温过热对组织和性能的影响4、孕育处理对组织和性能的影响现在学习的是第28页，共56页合金化元素的影响合金化元素的影响n
12、n研究表明，合金化元素Cr、Al、Ni、Cu有效地改变了灰口铸铁凝固和冷却过程中c曲线的形状和位置，使其能在铸态条件下连续冷却的过程中尽可能避开珠光体转变区而更有利于贝氏体组织的形成，而且还使灰口铸铁中片状石墨的大小、形状及分布得到改善，强度及韧性得到一定的提高。现在学习的是第29页，共56页合金化元素的影响合金化元素的影响n n 但是，合金元素的上述影响需要其它工艺因素与之配合，否则其作用仍然只能保持在较低的水平上。并且虽然某些合金元素继续加大用量可望使上述作用加强，但将导致铸件成本的急剧增加。现在学习的是第30页，共56页冷却速度和冷却方式对组织和性能的影响冷却速度和冷却方式对组织和性能的
13、影响 研究表明，铸件随型自然冷却的条件下，铸件直径或厚度越大，贝氏体的转化率越低。也就是说，铸件的冷却速度对贝氏体的转化率有着非常重要的影响。现在学习的是第31页，共56页高温过热对组织和性能的影响高温过热对组织和性能的影响 从表看出，铸态贝氏体灰口铸铁的过热温度选用从表看出，铸态贝氏体灰口铸铁的过热温度选用14801480是合适的。三者相比，当是合适的。三者相比，当铁水过热温度从铁水过热温度从14001400提高到提高到14801480时，试棒的强度和延伸率分别提高时，试棒的强度和延伸率分别提高7.97.9和和2727，硬度下降了，硬度下降了1.91.9，石墨细化了一个级别，共晶团数提高了一
14、个，石墨细化了一个级别，共晶团数提高了一个级别。而过热温度再从级别。而过热温度再从14801480升高到升高到15601560时，强度和延伸率几乎又都时，强度和延伸率几乎又都降低到原来的水平。降低到原来的水平。现在学习的是第32页，共56页孕育处理对组织和性能的影响孕育处理对组织和性能的影响n n 在现代铸造生产中，孕育处理作为细化组织、提高铸件力学性能、减小铸件白口倾向和提高铸件材料均一性的有力手段已被广泛用于各种具有较高性能要求的铸铁件生产中。现在学习的是第33页，共56页孕育处理对组织和性能的影响孕育处理对组织和性能的影响n n研究者采用国内常用的75硅铁、硅钙合金、一号稀土硅铁合金、含
15、锶硅铁和合钡硅铁等五种不同孕育剂，加入灰口铸铁中。现在学习的是第34页，共56页孕育处理对组织和性能的影响孕育处理对组织和性能的影响n n研究表明，对于包内一次孕育处理而言，孕育剂的加入量都是0.6为好；在一次孕育和二次孕育对比实验中，五种孕育剂都是二次孕育的效果比一次孕育好；在上述孕育剂中，含锶硅铁和含钡硅铁的孕育效果最好，可用最少的加入量获得最佳的孕育效果，特别是用这两种孕育剂进行二次孕育，可使综合力学性能明显提高。现在学习的是第35页，共56页准铸态工艺准铸态工艺n n准铸态工艺：直接利用铸件浇注后的高温余热，在预定的时间(温度)下打箱使铸件快冷，当冷却到预定的时间(温度)立即进行回火保
16、温处理，使其在加入较为便宜的Si-Mn-Cr-Cu合金，并取消高温奥氏体化加热和硝盐等温淬火后，仍然较好地实现不同种类铸铁中奥-贝组织的转变，使铸件的综合力学性能得到较大幅度的提高。现在学习的是第36页，共56页准铸态工艺准铸态工艺n n在铸态工艺中要加入较多且较昂贵的合金化元素，加大了铸件生产成本。并且，与经过等温淬火的奥-贝球铁相比，铸态贝氏体球铁的力学性能指标较为分散，总体水平也较低。现在学习的是第37页，共56页显微组织显微组织n n950打箱盐碱水玻璃溶液淬火 360电炉等温1h，得到的准铸态贝氏体灰铸铁的SEM照片(1000)。n n62.5 31.4%贝氏体+56.528.3%残
17、余奥氏体+片状石墨+少量马氏体-奥氏体白亮区。现在学习的是第38页，共56页力学性能力学性能现在学习的是第39页，共56页工艺参数对力学性能的影响工艺参数对力学性能的影响n n准铸态工艺的具体工艺过程，即：准铸态工艺的具体工艺过程，即：浇注后的铸件浇注后的铸件 一定的打箱温度打箱温度 一定的一定的等温温度 等温一定的时间准铸态贝氏体铸铁准铸态贝氏体铸铁n n确定以下工艺参数对准铸态贝氏体铸铁力学性能的影响：n n打箱温度 淬火介质n n等温温度 保温条件砂箱淬火介质保温条件现在学习的是第40页，共56页打箱温度打箱温度铸件浇注温度为铸件浇注温度为1400左右时，湿型浇注的情况下，左右时，湿型浇
18、注的情况下，打箱温度为打箱温度为950时，铸铁的强度和韧塑性最佳，时，铸铁的强度和韧塑性最佳，综合性能最好，综合性能最好，910次之，次之，870较差。较差。现在学习的是第41页，共56页淬火介质淬火介质三种冷却介质均具有较好的淬火效果，高压水雾淬火或水玻璃盐碱水溶液淬火的经济性、安全性和可操作性较好。机油闪点较低，一般需要配备循环冷却水箱和专门的冷却装置对淬火过程中的机油进行降温处理,难以保证安全,容易着火。现在学习的是第42页，共56页等温温度等温温度 三个等温温度中，360的等温效果较好，320 次之，280的效果较差。这一结果与等温淬火工艺是相反的。现在学习的是第43页，共56页保温条
19、件保温条件三种等温工艺方法中，等温效果最好的是预热过的保温箱，其次是预先设置好温度的电炉，热砂的保温效果较差。从经济实用的角度考虑,保温箱应作为首选。现在学习的是第44页，共56页合金化工艺合金化工艺n n加入合金化元素的目的，在于推迟奥氏体向珠光体的转变，以便在铸态下使奥氏体直接转变为贝氏体。n n常用的合金化元素有：Ni、W、Mo、Cu、Mn、Al、Cr等。现在学习的是第45页，共56页Ni、W元素的比较元素的比较n nNi有较强的推迟贝氏体转变的作用，Ni的价格较高；相比之下，W溶于奥氏体中抑制珠光体转变的作用强于Ni，推迟贝氏体转变的作用则小于Ni，并且W促进白口的作用平缓，同时由于W
20、是我国富产元素之一，在价格上，W仅为Ni的13左右。因此以W代Ni，再配入适量的Mo、Cu元素，生产铸态贝氏体灰口铸铁是可行的。现在学习的是第46页，共56页W、Mo元素对组织的影响元素对组织的影响n nW、Mo元素的综合加入量是获得贝氏体组织的关键。当W、Mo加入量不足，铸态组织中会出现一定量的珠光体；当W、Mo加入量过高，虽可以避免产生珠光体，但却出现了较多的白亮区，减少了贝氏体的数量；当W、Mo加入量适当时，铸态贝氏体的数量最多，其组织为细小片状石墨+贝氏体基体兼有少量白亮区。现在学习的是第47页，共56页W、Mo元素对组织的影响元素对组织的影响n nW、Mo都是使C曲线右移的元素，但对
21、C曲线中珠光体转变和贝氏体转变的推迟作用不同。当W、Mo加入量较低时它们对C曲线的右移作用较小，铸造状态的冷却速度曲线仍与珠光体转变的C曲线相交，因此组织中出现珠光体。现在学习的是第48页，共56页W、Mo元素对组织的影响元素对组织的影响n n随W、Mo含量的提高，C曲线的右移程度增大，尤其是W元素使C曲线中珠光体转变的右移程度超过贝氏体转变的右移程度，导致铸造冷却曲线绕开珠光体转变而进入贝氏体转变区，而不出现珠光体。现在学习的是第49页，共56页W、Mo元素对组织的影响元素对组织的影响n n若进一步增加W、Mo含量，一方面右移C曲线的作用增强，同时也极大地提高了奥氏体稳定性，导致铸造冷却曲线
22、与贝氏体转变曲线的鼻尖部位相交，贝氏体量减少，残余奥氏体增加。这些残余奥氏体在随后的冷却中部分转变为马氏体，形成由残余奥氏体+马氏体+碳化物的所谓“白亮区”。现在学习的是第50页，共56页W、Mo元素对组织的影响元素对组织的影响n n研究表明,当W和Mo的加入量分别为1.50和0.60时,贝氏体量最多。现在学习的是第51页，共56页W、Mo元素对力学性能的影响元素对力学性能的影响n n 固定W为1.5,随Mo含量的提高,力学性能的变化。现在学习的是第52页，共56页W、Mo元素对力学性能的影响元素对力学性能的影响n n固定Mo为0.6,随W含量的提高,力学性能的变化。现在学习的是第53页，共5
23、6页Cr、Al、Cu对铸铁组织的影响对铸铁组织的影响n nCr是白口倾向很强的合金元素，当含Cr量为1%时，组织中碳化物很少，随Cr含量增加，碳化物数量急剧增加，如表所示。n n含l.0Cr的铸铁组织为珠光体基体上分布着细小的A型石墨，如图所示。现在学习的是第54页，共56页Cr、Al、Cu对铸铁组织的影响对铸铁组织的影响n n AlAl在在0.51.50.51.5含量范围内，促进含量范围内，促进铸铁的石墨化。随含铸铁的石墨化。随含AlAl量增加量增加,试试样白口宽度逐渐减小样白口宽度逐渐减小,当加入量当加入量为为1.01.0时时,白口消失。加入白口消失。加入0.5 0.5 1.51.5Al,
24、Al,对组织中石墨形态影响不对组织中石墨形态影响不大。大。n nCuCu是促进石墨化元素是促进石墨化元素,在白口宽在白口宽度为度为2mm2mm的灰铁中加入的灰铁中加入1.02.01.02.0CuCu，白口消失。，白口消失。CuCu使铸铁中的使铸铁中的石墨细化。石墨细化。n n因此，在铸铁贝氏体化过程中因此，在铸铁贝氏体化过程中,可适量添加可适量添加AlAl、CuCu含量，而减少含量，而减少CrCr含量。含量。现在学习的是第55页，共56页存在的问题及展望存在的问题及展望n n目前，广泛用于灰口铸铁贝氏体化的工艺有：等温淬火工艺、铸态工艺和准铸态工艺。n n等温淬火工艺所得到的组织和力学性能较稳定，但其耗能、耗时严重，虽然其热处理的费用可以由采用这种材料从而减轻产品重量所带来的收益补偿；现在学习的是第56页，共56页